基因工程及蛋白质工程 (共53张PPT)

现 代 生 物 科 技 专 题 又 称 基 因 拼 接 技 术 ,或 重 组 DNA技 术 。 一 、 基 因 工 程 通 俗 的 说 ， 就 是 按 照 人 们 的 意 愿 ， 把 一 种 生 物 的 某种 基 因 提 取 出 来 ， 加 以 修 饰 改 造 ， 然 后 放 到 另 一 种生 物 的 细 胞 里 ， 定 向 的 改 造 生 物 的 遗 传 性 状 。 基因操作的基本步骤示意图 基 因 操 作 的 工 具基 因 的 剪 刀 限 制 性 核 酸 内 切 酶 （ 限 制 酶 ）基 因 的 针 线 DNA连 接 酶基 因 的 运 输 工 具 运 载 体 1.基 因 的 剪 刀 限 制 性 核 酸 内 切 酶 （ 限 制 酶 ） 基 因 操 作 的 工 具 分 布 ： 主 要 在 原 核 生 物 中 。 作 用 特 点 :专 一 性 ， 识 别 特 定 核 苷 酸 序 列 ， 切 割 特 定 切 点 。 结 果 ： 产 生 黏 性 末 端 或 平 末 端 举 例 ： EcoR1限 制 酶 、 Sma1限 制 酶 2.基 因 的 针 线 DNA连 接 酶 磷 酸 二 酯 键磷 酸 二 酯 键 基 因 操 作 的 工 具 连 接 的 部 位 ： 磷 酸 二 酯 键 结 果 ： 两 个 相 同 的 末 端 的 连 接 举 例 ： E coli DNA连 接 酶 （ 大 肠 杆 菌 中 分 离 ， 连 接 黏 性 末 端 ） T4 DNA连 接 酶 （ T4噬 菌 体 中 分 离 ， 连 接 黏 性 末 端 和 平 末 端 ） 2.基 因 的 针 线 DNA连 接 酶 基 因 操 作 的 工 具 作 用 ： 将 外 源 基 因 送 入 受 体 细 胞 具 备 的 条 件 ：能 在 宿 主 细 胞 内 复 制 并 稳 定 地 保 存具 有 多 个 限 制 酶 切 点具 有 某 些 标 记 基 因对 受 体 细 胞 无 害 常 用 运 载 体 ： 质 粒 、 噬 菌 体 和 动 植 物 病 毒 3.基 因 的 运 输 工 具 运 载 体 基 因 操 作 的 工 具 基 因 工 程 的 “ 四 步 曲 ”提 取 目 的 基 因1 目 的 基 因 与 运 载 体 结 合2 将 目 的 基 因 导 入 受 体 细 胞3 目 的 基 因 的 检 测 和 表 达4 步 骤 一 ： 目 的 基 因 的 获 取人 工 合 成 基 因 反 转 录 法根 据 已 知 的 氨 基 酸 序 列 合 成 DNA提取方法 基 因 文 库 中 获 取利 用 PCR技 术 扩 增 基 因 文 库基 因 组 文 库 基 因 文 库 :将 含 有 某 种 生 物 不 同 基 因 的 许 多 DNA片 段 ,导 入 受 体 菌 的 群 体 中 储存 ,各 个 受 体 菌 分 别 含 有 这 种 生 物 的 不 同 的 基 因 ,称 为 基 因 文 库 。基 因 组 文 库 :基 因 文 库 中 包 含 了 一 种 生 物 所 有 的 基 因 ,这 种 基 因 文 库 叫 做 基 因组 文 库 .部 分 基 因 文 库 （ cDNA文 库 ） :cDNA文 库 中 包 含 了 一 种 生 物 的 一 部 分 基 因 ,这 种 基 因 文 库 叫 做 部分 基 因 文 库 . 文 库 类 型 cDNA文 库 基 因 组 文 库文 库 大 小基 因 中 启 动 子（ 具 有 启 动 作 用 的 DNA片 段 ）基 因 中 内 含 子（ 位 于 编 码 蛋 白 质 的 序 列内 的 非 编 码 的 DNA片 段 ）基 因 数 量物 种 间 的 基 因 交 流 小 大无无 有有某 种 生 物 部 分 基 因 某 种 生 物 全 部 基 因可 以 部 分 基 因 可 以 u基 因 文 库 中 不 是 直 接 保 管 相 应 基 因 ， 而 是 保 存 受 体 菌 ， 菌 中 含 基 因步 骤 一 ： 目 的 基 因 的 获 取 目 的 基 因 的 mRNA单 链 DNA(cDNA)双 链 DNA(即 目 的 基 因 )反 转 录合 成2.人 工 合 成 基 因 法1） 反 转 录 法 ： 2） 根 据 已 知 的 氨 基 酸 序 列 合 成 DNA法 蛋 白 质 的 氨 基 酸 序 列mRNA的 核 苷 酸 序 列结 构 基 因 的 核 苷 酸 序 列推 测推 测目 的 基 因化 学 合 成2.人 工 合 成 基 因 法 PCR过 程 （ 三 次 ） 925575 延伸925575 变性925575 退火3.PCR技 术 扩 增 925575 3 5 5 3 Taq聚合酶引物1引物2原料模板DNA目的基因3.PCR技 术 扩 增 925575 变性3 5 5 3 Taq聚合酶引物1引物2原料3.PCR技 术 扩 增 925575 退火Taq聚合酶引物1引物2原料3.PCR技 术 扩 增 925575 延伸Taq聚合酶引物1引物2原料3.PCR技 术 扩 增 条 件 作 用在 一 定 的 缓 冲 液 中 进 行四 种 脱 氧 核 苷 酸DNA母 链Taq酶 （ 耐 高 温 ）引 物步 骤 提 供 相 对 稳 定 的 PH环 境作 为 合 成 DNA子 链 的 原 料作 为 DNA复 制 的 模 版催 化 合 成 DNA子 链使 Taq酶 能 够 从 模 版 的 3 端 开 始 连 接 脱 氧 核 苷 酸变 性 ： 使 DNA片 段 双 链 解 开复 性 ： 使 两 条 DNA单 链 分 别 与 相 应 的 引 物 结 合延 伸 ： Taq酶 催 化 子 链 合 成 步 骤 二 ： 基 因 表 达 载 体 的 构 建质 粒 DNA分 子限 制 酶 处 理一 个 切 口两 个 黏 性 末 端 DNA连 接 酶重 组 DNA分 子 （ 重 组 质 粒 ）同 一 种 两 个 切 口获 得 目 的 基 因（ 基 因 重 组 ） 基 因 表 达 载 体 的 组 成 ：步 骤 二 ： 基 因 表 达 载 体 的 构 建 步 骤 二 ： 基 因 表 达 载 体 的 构 建 载 体 与 表 达 载 体 的 区 别 ：二 者 都 有 标 记 基 因 和 复 制 原 点 两 部 分 DNA片 段 。 表 达 载 体 在载 体 基 础 上 增 加 了 目 的 基 因 、 启 动 子 、 终 止 子 三 部 分 结 构 启 动 子 、 终 止 子 对 于 目 的 基 因 表 达 必 不 可 少 目 的 基 因 不 能 单 独 进 入 受 体 细 胞 ， 必 需 以 表 达 载 体 的 方 式携 带 进 去 。注 意 1.将 目 的 基 因 导 入 植 物 细 胞步 骤 三 ： 目 的 基 因 导 入 受 体 细 胞农 杆 菌 转 化 法基 因 枪 法花 粉 管 通 道 法 表 达 载 体 导 入 农 杆 菌 ， 再 让 农 杆 菌 感 染 植 物 细 胞 目 的 基 因 插 入 到Ti质 粒 的 T-DNA上 农 杆 菌 植 物 细 胞目 的 基 因 整 合 到植 物 染 色 体 DNA上目 的 基 因 的 遗 传 特性 得 以 维 持 和 表 达进 入 导 入 1.将 目 的 基 因 导 入 动 物 细 胞步 骤 三 ： 目 的 基 因 导 入 受 体 细 胞显 微 注 射 法常 用 方 法 ： 受 精 卵常 用 受 体 细 胞 ： 原 核 生 物 特 点 ：步 骤 三 ： 目 的 基 因 导 入 受 体 细 胞1.将 目 的 基 因 导 入 微 生 物 细 胞 （ 常 用 大 肠 杆 菌 ）繁 殖 快多 为 单 细 胞 生 物遗 传 物 质 相 对 较 少 CaCl2法 ：步 骤 三 ： 目 的 基 因 导 入 受 体 细 胞1.将 目 的 基 因 导 入 微 生 物 细 胞 （ 常 用 大 肠 杆 菌 ）第 一 步 ： 首 先 用 Ca2+ 处 理 细胞 ,以 增 大 细 菌 细 胞 壁 的 通 透性 ,使 细 胞 处 于 一 种 能 吸 收 周围 环 境 中 DNA分 子 的 生 理 状 态 ,这 种 细 胞 称 为 感 受 态 细 胞 CaCl2法 ：步 骤 三 ： 目 的 基 因 导 入 受 体 细 胞1.将 目 的 基 因 导 入 微 生 物 细 胞 （ 常 用 大 肠 杆 菌 ）第 二 步 ： 然 后 将 重 组 表 达 载体 DNA分 子 溶 于 缓 冲 液 中 与 感受 态 细 胞 混 合 ,在 一 定 的 温 度下 促 进 感 受 态 细 胞 吸 收 DNA分子 ,完 成 转 化 过 程 . 检 测 :是 否 插 入 目 的 基 因是 否 转 录是 否 翻 译 鉴 定 :功 能 活 性 鉴 定抗 性 鉴 定步 骤 三 ： 目 的 基 因 的 检 测 与 鉴 定 步 骤 三 ： 目 的 基 因 的 检 测 与 鉴 定 基 因 工 程 的 应 用1、 培 育 转 基 因 植 物 和 动 物2、 生 产 基 因 工 程 药 物3、 进 行 基 因 治 疗 (2013 新 课 标 ， 40节 选 )材 料 甲 科 学 家 将 牛 生 长 激 素 基 因 导 入 小 鼠 受 精 卵 中 ， 得 到 了 体 型 巨 大的 “ 超 级 小 鼠 ” ； 科 学 家 采 用 农 杆 菌 转 化 法 培 育 出 转 基 因 烟 草 。回 答 下 列 问 题 ：(1)材 料 甲 属 于 基 因 工 程 的 范 畴 。 将 基 因 表 达 载 体 导 入 小 鼠 的 受 精 卵 中 常用 _法 。 构 建 基 因 表 达 载 体 常 用 的 工 具 酶 有 _和_。 在 培 育 转 基 因 植 物 时 ， 常 用 农 杆 菌 转 化 法 ， 农 杆 菌 的 作用 是 _。限 制 酶DNA连 接 酶显 微 注 射 农 杆 菌 可 感 染 植 物 ， 将 目 的 基 因 转 移 到 受 体 (植 物 )细 胞 中 (2014 新 课 标 ， 40)植 物 甲 具 有 极 强 的 耐 旱 性 ， 其 耐 旱 性 与 某 个 基 因有 关 。 若 从 该 植 物 中 获 得 该 耐 旱 基 因 ， 并 将 其 转 移 到 耐 旱 性 低 的 植 物乙 中 ， 有 可 能 提 高 后 者 的 耐 旱 性 。回 答 下 列 问 题 ：(1)理 论 上 ， 基 因 组 文 库 含 有 生 物 的 _基 因 ； 而 cDNA文 库 中 含 有 生 物 的 _基 因 。(2)若 要 从 植 物 甲 中 获 得 耐 旱 基 因 ， 可 首 先 建 立 该 植 物 的 基 因 组 文 库 ，再 从 中 _出 所 需 的 耐 旱 基 因 。 全 部部 分筛 选 (2014 新 课 标 ， 40)植 物 甲 具 有 极 强 的 耐 旱 性 ， 其 耐 旱 性 与 某 个 基 因有 关 。 若 从 该 植 物 中 获 得 该 耐 旱 基 因 ， 并 将 其 转 移 到 耐 旱 性 低 的 植 物乙 中 ， 有 可 能 提 高 后 者 的 耐 旱 性 。回 答 下 列 问 题 ：(3)将 耐 旱 基 因 导 入 农 杆 菌 ， 并 通 过 农 杆 菌 转 化 法 将 其 导 入 植 物 _的 体 细 胞 中 ， 经 过 一 系 列 的 过 程 得 到 再 生 植 株 。 要 确 认 该 耐旱 基 因 是 否 在 再 生 植 株 中 正 确 表 达 ， 应 检 测 此 再 生 植 株 中 该 基 因 的_， 如 果 检 测 结 果 呈 阳 性 ， 再 在 田 间 试 验 中 检 测 植 株 的_是 否 得 到 提 高 。乙表 达 产 物耐 旱 性 (2014 新 课 标 ， 40)植 物 甲 具 有 极 强 的 耐 旱 性 ， 其 耐 旱 性 与 某 个 基 因有 关 。 若 从 该 植 物 中 获 得 该 耐 旱 基 因 ， 并 将 其 转 移 到 耐 旱 性 低 的 植 物乙 中 ， 有 可 能 提 高 后 者 的 耐 旱 性 。回 答 下 列 问 题 ：(4)假 如 用 得 到 的 二 倍 体 转 基 因 耐 旱 植 株 自 交 ， 子 代 中 耐 旱 与 不 耐 旱 植株 的 数 量 比 为 3 1 时 ， 则 可 推 测 该 耐 旱 基 因 整 合 到 了_(填 “ 同 源 染 色 体 的 一 条 上 ” 或 “ 同 源 染色 体 的 两 条 上 ” )。同 源 染 色 体 的 一 条 上 (2015 新 课 标 I， 40)HIV属 于 逆 转 录 病 毒 ， 是 艾 滋 病 的 病 原 体 。 回 答 下 列 问 题 ：(1)用 基 因 工 程 方 法 制 备 HIV的 某 蛋 白 （ 目 的 蛋 白 ） 时 ， 可 先 提 取HIV中 的 ， 以 其 作 为 模 板 ， 在 的 作 用 下 合 成 。获 取 该 目 的 蛋 白 的 基 因 ， 构 建 重 组 表 达 载 体 ， 随 后 导 入 受 体 细胞 。 RNA 逆 转 录 酶 (2015 新 课 标 I， 40)HIV属 于 逆 转 录 病 毒 ， 是 艾 滋 病 的 病 原 体 。 回 答 下 列 问 题 ：(2)从 受 体 细 胞 中 分 离 纯 化 出 目 的 蛋 白 ， 该 蛋 白 作 为 抗 原 注 入 机 体后 ， 刺 激 机 体 产 生 的 可 与 此 蛋 白 结 合 的 相 应 分 泌 蛋 白 是 。 该 分 泌 蛋 白 可 用 于 检 测 受 试 者 血 清 中 的 HIV， 检 测 的 原 理 是 。 抗 体抗 原 抗 体 特 异 性 结 合 (2015 新 课 标 I， 40)HIV属 于 逆 转 录 病 毒 ， 是 艾 滋 病 的 病 原 体 。 回 答 下 列 问 题 ：(3)已 知 某 种 菌 导 致 的 肺 炎 在 健 康 人 群 中 罕 见 ， 但 是 在 艾 滋 病 患者 中 却 多 发 。 引 起 这 种 现 象 的 根 本 原 因 是 HIV主 要 感 染 和 破 坏了 患 者 的 部 分 细 胞 ， 降 低 了 患 者 免 疫 系 统 的 防 卫 功 能 。(4)人 的 免 疫 系 统 有 癌 细 胞 的 功 能 ， 艾 滋 病 患 者 由 于免 疫 功 能 缺 陷 ， 易 发 生 恶 性 肿 瘤 。 T监 控 和 清 除 (2016 海 南 ,31) 基 因 工 程 又 称 为 DNA重 组 技 术 ， 回 答 相 关 问 题 ：(1)在 基 因 工 程 中 ， 获 取 目 的 基 因 主 要 有 两 大 途 径 ， 即 _和 从 _中 分 离 。(2)利 用 某 植 物 的 成 熟 叶 片 为 材 料 ， 同 时 构 建 cDNA文 库 和 基 因 组 文 库 ， 两 个 文 库 相 比 ， cDNA文 库 中 含 有 的 基 因 数 目 比 基因 组 文 库 中 的 少 ， 其 原 因 是 _。人 工 合 成生 物 材 料cDNA文 库 中 只 含 有 叶 细 胞 已 转 录 （ 或 已 表 达 ） 的 基 因 ， 而 基因 组 文 库 中 含 有 该 植 物 的 全 部 基 因 (2016 海 南 ,31) 基 因 工 程 又 称 为 DNA重 组 技 术 ， 回 答 相 关 问 题 ：(3)在 基 因 表 达 载 体 中 ， 启 动 子 是 _聚 合 酶 识 别 并 结 合 的部 位 。 若 采 用 原 核 生 物 作 为 基 因 表 达 载 体 的 受 体 细 胞 ， 最常 用 的 原 核 生 物 是 _。(4)将 目 的 基 因 通 过 基 因 枪 法 导 入 植 物 细 胞 时 ， 常 用 的 携 带 目的 基 因 的 金 属 颗 粒 有 _和 _颗 粒 。RNA大 肠 杆 菌金 粉 钨 粉 蛋 白 质 工 程 例 如 ： 改 造干 扰 素 （ 半 胱 氨 酸 ）体 外 很 难 保 存 干 扰 素 （ 丝 氨 酸 ）体 外 可 以 保 存 半 年天 冬 氨 酸 激 酶（ 352位 的 苏 氨 酸 ）二 氢 吡 啶 二 羧 酸 合 成 酶（ 104位 的 天 冬 酰 胺 ） 改 造改 造 天 冬 氨 酸 激 酶 （ 异 亮 氨 酸 ）二 氢 吡 啶 二 羧 酸 合 成 酶（ 异 亮 氨 酸 ）玉 米 中 赖 氨 酸 含 量 比 较 低 玉 米 中 赖 氨 酸 含 量 可 提 高 数 倍 蛋 白 质 工 程以 蛋 白 质 分 子 的 结 构 规 律 及 其 与 生 物 功 能 的 关 系 作 为 基 础 ，通 过 基 因 修 饰 或 基 因 合 成 ， 对 现 有 蛋 白 质 进 行 改 造 ， 或 创造 一 种 新 的 蛋 白 质 ， 以 满 足 人 类 的 生 产 和 生 活 的 需 求 。基 础 ： 蛋 白 质 分 子 的 结 构 规 律 及 其 与 生 物 功 能 的 关 系改 造 对 象 ： 改 造 蛋 白 质 的 结 构 ， 本 质 上 是 改 造 控 制 该 蛋 白 质合 成 基 因 的 结 构 推 测 氨 基酸 序 列蛋 白 质 工 程 流 程 图 合 成 DNA设 计 蛋 白质 结 构预 期 蛋 白质 功 能 分 子 设 计 推 测 核苷 酸 序 列表 达 出 蛋白 质 蛋 白 质 工 程 的 进 展 与 前 景蛋 白 质 工 程 目 前 的 现 状 ： 成 功 的 例 子 不 多 ， 主 要 是 因 为 蛋 白质 发 挥 其 功 能 需 要 依 赖 于 正 确 的 空 间 结 构 ， 而 科 学 家 目 前 对大 多 数 蛋 白 质 的 空 间 结 构 了 解 很 少 。 (2015 新 课 标 ， 40)已 知 生 物 体 内 用 一 种 蛋 白 质 (P)， 该 蛋白 质 是 一 种 转 运 蛋 白 由 305个 氨 基 酸 组 成 。 如 果 将 P分 子 中 158位 的 丝 氨 酸 变 成 亮 氨 酸 ， 240位 的 谷 氨 酰 胺 变 成 苯 丙 氮 酸 ， 改变 后 的 蛋 白 质 (P1)不 但 保 留 P的 功 能 ， 而 且 具 有 酶 的 催 化 活 性 。回 答 下 列 问 题 ：(1)从 上 述 资 料 可 知 ， 若 要 改 变 蛋 白 质 的 功 能 ， 可 以 考 虑 对 蛋 白 质 进 行 改 造 。氨 基 酸 的 序 列 （ 或 结 构 ） (2015 新 课 标 ， 40)已 知 生 物 体 内 用 一 种 蛋 白 质 (P)， 该 蛋白 质 是 一 种 转 运 蛋 白 由 305个 氨 基 酸 组 成 。 如 果 将 P分 子 中 158位 的 丝 氨 酸 变 成 亮 氨 酸 ， 240位 的 谷 氨 酰 胺 变 成 苯 丙 氮 酸 ， 改变 后 的 蛋 白 质 (P1)不 但 保 留 P的 功 能 ， 而 且 具 有 酶 的 催 化 活 性 。回 答 下 列 问 题 ：(2)以 P基 因 序 列 为 基 础 ， 获 得 P1基 因 的 途 径 有 修 饰 基 因 或 合 成 基 因 。 所 获 得 的 基 因 表 达 时 时 遵 循 中 心 法 则的 ， 中 心 法 则 的 全 部 内 容 包 括 的 复 制 ； 以 及 遗传 信 息 在 不 同 分 子 之 间 的 流 动 ， 即 ： 。 PP1 DNA和 RNA转 录 、 逆 转 录 和 翻 译 (2015 新 课 标 ， 40)已 知 生 物 体 内 用 一 种 蛋 白 质 (P)， 该 蛋 白质 是 一 种 转 运 蛋 白 由 305个 氨 基 酸 组 成 。 如 果 将 P分 子 中 158位 的丝 氨 酸 变 成 亮 氨 酸 ， 240位 的 谷 氨 酰 胺 变 成 苯 丙 氮 酸 ， 改 变 后 的蛋 白 质 (P1)不 但 保 留 P的 功 能 ， 而 且 具 有 酶 的 催 化 活 性 。 回 答 下列 问 题 ：(3)蛋 白 质 工 程 也 被 称 为 第 二 代 基 因 工 程 ， 其 基 本 途 径 是 从 预 期蛋 白 质 功 能 出 发 ， 通 过 和 ， 进 而 确定 相 对 应 的 脱 氧 核 苷 酸 序 列 ， 据 此 获 得 基 因 ， 再 经 表 达 、 纯 化获 得 蛋 白 质 ， 之 后 还 需 要 对 蛋 白 质 的 生 物 进 行 鉴 定 。设 计 蛋 白 质 的 结 构 推 测 氨 基 酸 的 序 列功 能